古建筑的參數(shù)化設(shè)計解析
本文探討了參數(shù)化設(shè)計技術(shù)的概念、模數(shù)化的中國古建筑構(gòu)造、特征化的中國古建筑細部以及古建筑設(shè)計參數(shù)化的意義等方面的內(nèi)容。
一、參數(shù)化設(shè)計技術(shù)的概念
參數(shù)化設(shè)計技術(shù)是 CAD 技術(shù)在實際應(yīng)用中提出的課題，它不僅可使CAD 系統(tǒng)具有交互式繪圖功能，還具有自動繪圖的功能。通過參數(shù)驅(qū)動機制，可以對圖形的幾何數(shù)據(jù)進行參數(shù)化修改。但是，在修改的同時，還要滿足圖形的約束條件，需要約束間關(guān)聯(lián)性的驅(qū)動手段棗的約束聯(lián)動，約束聯(lián)動是通過約束間的關(guān)系實現(xiàn)的驅(qū)動方法。目前它是 CAD 技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的一個重要的，且待進一步研究的課題。實現(xiàn)參數(shù)化繪圖是現(xiàn)階段 CAD 軟件開發(fā)的核心任務(wù)之一。
由于上述應(yīng)用背景，國內(nèi)外對參數(shù)化設(shè)計做了大量的研究。目前參數(shù)化技術(shù)大致可分為如下三種方法：1、基于幾何約束的數(shù)學方法；2、基于幾何原理的人工智能方法；3、基于特征模型的造型方法。其中數(shù)學方法又分為初等方法（PrimaryApproach）和代數(shù)方法（Algebraic Approach）。初等方法利用預(yù)先設(shè)定的算法，求解一些特定的幾何約束。這種方法簡單，易于實現(xiàn)，但僅適用于只有水平和垂直方向約束的場合；代數(shù)法則將幾何約束轉(zhuǎn)換成代數(shù)方程，形成一個非線性方程組。該方程組求解較困難，因此實際應(yīng)用受到限制。人工智能方法是利用專家系統(tǒng)，對圖形中的幾何關(guān)系和約束進行理解。運用幾何原理推導(dǎo)出新的約束，這種方法的速度較慢，交互性不好，特征造型方法是三維實體造型技術(shù)的發(fā)展，目前正在探討之中。
二、模數(shù)化的中國古建筑構(gòu)造
中國古代建筑的設(shè)計一般是從建筑細部作起，然后再逐漸擴展至建筑構(gòu)架，再到建筑物本體。在這個過程中結(jié)合考慮建筑群體的總體布局要求，是從小到大的設(shè)計方法。在宋朝《營造法式》中，李明仲提出“構(gòu)屋之制，以‘材’為祖，材分八等，度屋之大小，因而用之”。第一次明確提出“材”作為模數(shù)，并且機動地視建筑的規(guī)模、大小、體量選用不同規(guī)格的“材”反映了古人的建造能力和建筑經(jīng)驗已經(jīng)達到相當高的水平。宋朝時的‘材’分為八個等級，“材”的基本尺寸即斷面的高和寬。在“營造法式”中稱為“廣”和“厚”。
模數(shù)是選定的標準尺寸單位，是建筑物、建筑構(gòu)件、配件或者建筑制品及有關(guān)設(shè)備等相互協(xié)調(diào)尺寸的基礎(chǔ)。以模數(shù)為基礎(chǔ)，可以擴大為系統(tǒng)數(shù)值，組成模數(shù)數(shù)列。
模數(shù)的出現(xiàn)反映了建筑發(fā)展的歷史進步，這是因為：
a 模數(shù)適用于大規(guī)模建筑，在建筑工程中各個工種都以模數(shù)為依據(jù)，分工預(yù)制構(gòu)件是實現(xiàn)大規(guī)模營建的必須手段。
b 模數(shù)便于經(jīng)濟理財，取得最佳經(jīng)濟效益。
c 模數(shù)便于合理使用原材料，增進構(gòu)件，配件的通用性和互換性，這是建筑規(guī)模日漸擴大的必然結(jié)果。
到清朝，以斗口作為設(shè)計的基本模數(shù)，而斗口又稱為“口份“”是指斗拱中平身科斗拱的座斗上用以承托昂或者翹的卯口。卯口的寬度就是所用昂、拱的用料寬度。清朝《工程作法》中規(guī)定建筑及各構(gòu)件尺寸以“口份“”計算。凡是有斗拱的建筑，其基本模數(shù)就是斗口。清斗口分為 11 個等級。但是，在我國現(xiàn)存的古建筑實物中，斗口尺寸往往根據(jù)具體情況進行調(diào)整和變化，而非死板硬套。以北京太和殿一組建筑為例，太和殿斗口為 3 寸 是七等材 而太和門斗口則是 2.8 寸，貞度門、昭德門斗口則為 2.6 寸。既不是七等材的尺寸，也不是八等材的尺寸。太和殿南廡和周圍廊用的是 2.5 寸的斗口，為八等材。從這一組建造可以看出，在實際應(yīng)用過程中斗口的尺寸是可以依據(jù)建筑的規(guī)模、主次等級等關(guān)系進行適當?shù)恼{(diào)整的。在無斗拱的古建筑中，由于不使用斗拱，它們用的基本模數(shù)是柱徑（是指檐柱的柱徑），此時，古建筑的開間、構(gòu)件的規(guī)格以及門窗等裝飾都以柱徑為參數(shù)。所以無論什么形式的古建筑都有其基本模數(shù)。
三、特征化的中國古建筑細部
當一座古建筑的建筑等級、規(guī)模確定以后，設(shè)計者選擇好適當?shù)燃壍亩房冢湟磺邢嚓P(guān)的尺寸如柱網(wǎng)軸線、建筑高度、建筑開間數(shù)、建筑進深等等都決定了。建筑的體量設(shè)計也就完成了。但是，古建筑上千變?nèi)f化的細部裝飾又讓人頭痛不已，例如斗拱的具體形式、吻獸的形式、裝修圖案、色彩、欄桿造型的變化。每一個古建筑仿佛都有自己的個性，采用不同的裝飾圖案，不同的圖案來源不同，其含義也就大不相同。有來自佛教故事的，也有來自民間寓言的，來自歷史傳說的，甚至于追求吉祥寓意的。大量的古建筑細部實物如同浩瀚的大海一樣等待現(xiàn)代的建筑師們?nèi)ヌ剿骱脱芯俊?/p>
但是，當我們靜下心來，細細品味古建筑細部時，我們驚喜地發(fā)現(xiàn)許多原本看起來復(fù)雜的古建筑細部其脈絡(luò)輪廓卻是如此簡潔清晰。例如：斗拱的形式和構(gòu)造看來十分復(fù)雜，什幺五鋪座、七鋪座、九鋪座，往往讓人頭暈?zāi)垦！５瞧浣ㄔ靺s是十分有規(guī)律可循的。斗拱分為偷心造和計心造兩種。其具體構(gòu)件如下：
a 升、斗。為正方形構(gòu)件，因其形狀酷似古代量器而得名，是整攢斗拱的連接的結(jié)點。
b 拱。實際上是橫木枋，兩頭微微彎曲，做成卷殺，按照部位分為正心瓜拱、正心萬拱、廂拱等等。
c 斗拱中的縱向構(gòu)件。按照器具體形式的不同分為翹、昂、螞蚱頭、撐頭木和桁椀等。
d 枋。是寬 1 斗口 高 2 斗口的長方形木條，安裝在各層的萬拱和最外層的廂拱上，將一攢攢斗拱連接成一層完整的斗拱層，其具體的尺寸也有詳細的規(guī)范。
一般來說，古建筑的欄桿一般分為兩類：木欄桿和石欄桿。由于年代久遠，木欄桿現(xiàn)在很少見到實物，所以目前現(xiàn)存的古建筑欄桿幾乎都是石欄桿。其構(gòu)造由地柎、欄板和望柱組成。臺階上的欄板柱子由地柎、欄板、望柱和抱鼓石組成，其各部位尺寸也有詳盡的規(guī)范。望柱上的柱頭在不同的建筑中具體的做法也差異很大，累計有云龍柱頭、云鳳柱頭、石榴頭、蓮瓣柱頭、獅子柱頭等具體形式。但是，無論欄桿的細部作法再怎樣豐富多彩，它們的構(gòu)件在組成上是幾乎一致的，都由地柎、欄板和望柱三大部件組合而成，而且地柎欄板和望柱的尺寸由建筑的斗口模數(shù)決定，望柱頭和欄板的位置定位點和基底標高也能確立。不同的只是形狀的不同或者是形式特征的不同而已，其細部特征也就建立了。同樣的還有凈瓶和抱鼓石部分，它們的空間定位和尺寸大小都是建立在該建筑斗口的基礎(chǔ)上，不同的僅僅是它們的具體造型也就是面集特征。
四、古建筑參數(shù)化設(shè)計的意義
總的來說，現(xiàn)代建筑設(shè)計的思路是從大到小的進行建筑設(shè)計，先了解大的環(huán)境情況，再分析建筑的總體功能需求，最后才是建筑細部的處理。雖然現(xiàn)代建筑設(shè)計出的建筑造型比較復(fù)雜，形體組合也比較豐富，但是其基本的構(gòu)建關(guān)系仍然比較一致。換句話說，由于建筑施工技術(shù)和材料技術(shù)的限制，現(xiàn)代建筑的基本構(gòu)成部分是一樣的。那么，我們可以將現(xiàn)代建筑的設(shè)計由大化小，化整為零，建立建筑基本組成部分的參數(shù)化關(guān)系，然后在設(shè)計時將它們組合起來。目前，人們?yōu)榱送瓿晒沤ㄖO(shè)計的繪圖工作和建模工作 用了各種各樣的辦法。圖 1就是其中一種，它是將斗拱等部分做成材質(zhì)進行貼圖。但我們可以清楚地看出其斗拱部分沒有陰影變化，而參數(shù)化設(shè)計就能解決這個問題。因為其參數(shù)化本身就是將各個組成部分的三維參數(shù)關(guān)系輸入計算機，完成古建筑構(gòu)件的三維全尺寸地設(shè)計和建模工作。如圖2在此基礎(chǔ)上可以直接進行后期處理。
五、結(jié)語
中國古建筑文化浩瀚精深，我國的古建筑物中所包含大量的地方文化內(nèi)涵和民風民俗尚未得到發(fā)掘 還有許多細部構(gòu)造在本文也尚未提及，有待進一步的研究。希望社會大眾對古建筑文化保護能夠引起重視，早日出現(xiàn)適用于古建筑設(shè)計和現(xiàn)代建筑設(shè)計的計算機輔助設(shè)計軟件。
